بایگانی دسته ی فرایندها و تجهیزات ساخت قطعات فلزی

ماشین کاری چیست؟

ماشین‌کاری یک فرایند کاهشی است؛ یعنی شکل نهایی قطعه از طریق حذف ماده به دست می‌آید، نه اضافه کردن آن.

در ماشین کاری، ابزار برشی که سخت‌تر از قطعه‌کار است، تنش زیادی در یک ناحیه ایجاد می‌کند. وقتی این تنش از استحکام برشی ماده فراتر رود، ماده شکسته می‌شود و لایه‌ای نازک به صورت براده جدا می‌شود. این عمل آن‌قدر تکرار می‌شود تا قطعه به ابعاد نهایی برسد.

ریشه‌های ماشینکاری به اولین تلاش‌های انسان اولیه برای شکل دادن به سنگ و چوب باز می‌گردد.

اولین ماشین ابزار واقعی، یک تراش ابتدایی در مصر باستان بود. گفته شده است که حدود ۱۳۰۰ سال پیش از میلاد. صنعتگران مصری قطعات چوبی را بین دو محور قرار می‌دادند؛ آن وقت یکی آن را می‌چرخاند و دیگری با ابزاری تیز به سطح آن فرم می‌داد.

با فرض درست بودن این روایت، چنین دستگاهی را می‌توان نسخه اولیه دستگاه‌های تراش امروزی تصور کرد. ماشین تراش، هنوز هم بر اساس اصل «چرخاندن قطعه‌کار در برابر یک ابزار ثابت» کار می‌کند.

اما یکی از نقاط عطف مهم در زمان انقلاب صنعتی و در ارتباط با موتور بخار رخ داد. جیمز وات موتور بخار خود را بهبود بخشیده بود، اما سیلندرهای آن دقیق نبودند و بخار از درز پیستون‌ها فرار می‌کرد.

برای حل این چالش، شخصی به نام جان ویلکینسون در سال ۱۷۷۵ ماشینی ساخت که ابزار برش را به جای قرار دادن در خارج از سیلندر، درون آن نصب می‌کرد.

بدین ترتیب آنچه امروز «داخل‌تراشی» می‌نامیم متولد شد.

تحول دیگری که به موازات این پیشرفت‌ها اتفاق افتاد، مربوط به دقت حرکت ابزار بود. همانطور که گفتیم در ماشین‌های اولیه، قطعه‌کار می‌چرخید و خود اپراتور باید ابزار را نگه می‌داشت و با نیروی دست هدایت می‌کرد. چنین سیستمی نمی‌توانست دقت بالایی داشته باشد. اختراع ساپورت لغزنده توسط هنری مودسلی، این محدودیت را برطرف کرد. ساپورت، ابزار برش را روی یک مسیر فلزی صاف نگه می‌داشت و با دقت میکرومتری حرکت می‌داد.

در درس‌های بعدی، با نقش این اختراع در ماشین‌های تراش امروزی بیشتر آشنا خواهید شد.

اما اختراع مودسلی فقط برای تراشیدن فرم‌های استوانه‌ای مناسب بود. صنایع نوظهورمثل سازندگان اسلحه در آمریکا به قطعاتی نیاز داشتند که سطوح مختلف را هم ماشین‌کاری کنند. این نیازها مقدمه ظهور دستگاه‌های فرز را فراهم کرد.

سال ۱۸۶۱، ساعت‌سازی به اسم جوزف براون، ماشین فرز یونیورسال را عرضه کرد. برخلاف تراش که قطعه‌کار می‌چرخید، فرز براون یک ابزار چرخان داشت که در سه جهت حرکت می‌کرد و می‌توانست سطوح تخت، شیارها و حتی اشکال مارپیچ را بتراشد.

به طور کلی هر چه تکنولوژی پیشرفت می‌کند، نیازهای جدیدتری به وجود می‌آیند که باز هم تکنولوژی را به پیشرفت وا می‌دارند. همین ترتیب، در مورد ماشین‌کاری نیز در جریان بوده و توسعه هر چه بیشتر آن را امکان‌پذیر کرده است.

به عنوان نمونه، نیروی هوایی ایالات متحده بعد از جنگ جهانی دوم نیاز زیادی به ساخت قطعات پیچیده بالگرد داشت. ماشین‌کاران حرفه‌ای به بخشی از این نیاز پاسخ می‌دادند؛ اما هر چه سرعت تولید بیشتر می‌شد، دقت کاهش می‌یافت.

این چالش‌ها سوال را مطرح می‌کرد: چرا به جای هدایت دستی، حرکات ماشین توسط ماشین هدایت نشود؟ پاسخ ساده بود: اگر بخواهیم فقط یک قطعه مشخص را بسازیم، مسیر حرکت ابزارها را می‌توانیم تا حدی با شابلون مشخص کنیم. اما حالا که می‌خواهیم از یک دستگاه برای ساخت قطعات متنوع و بی‌شمار استفاده کنیم، عملاً هر ابزار به شابلون خاص خودش نیاز دارد.

اما در جهان مهندسی، همیشه راهی برای عبور از چالش‌ها هست. راه‌حل این بود که یک سری کدهای عددی را روی نوار کاغذی پانچ کنند. ماشین این نوار را بخواند و ابزار را مطابق آن حرکت دهد. این ایده اجرا شد و سیستم‌های کنترل عددی یا NC متولد شدند.

بعدها، با پیشرفت علوم رایانه، این پانچ‌ها و نوارها جای خود را به نرم‌افزارها دادند. اپراتور می‌توانست برنامه را به سادگی ویرایش کند، آن را شبیه‌سازی نماید و با فشردن یک دکمه، پیچیده‌ترین قطعات را با دقتی در حد چند هزارم میلی‌متر بسازد. این تکنولوژی همان «کنترل عددی کامپیوتری» یا CNC است؛ تکنولوژی که میان برنامه‌نویسی و ماشین‌کاری ارتباط برقرار کرد و امروزه برای بسیاری از ما آشناست.

دسته‌بندی فرایندهای ماشینکاری

گفتیم که ماشین‌کاری یعنی حذف ماده تا قطعه به شکل نهایی برسد. اما این حذف لزوماً به یک شکل اتفاق نمی‌افتد؛ راه‌های مختلفی برای جدا کردن ماده از قطعه‌کار وجود دارد. به همین دلیل، فرایندهای ماشین‌کاری را بر اساس مکانیزم حذف مواد به گروه‌های متفاوت تقسیم می‌کنند. در ادامه با این گروه‌ها آشنا می‌شوید.

۱- براده‌برداری: تراشکاری، فرزکاری، سوراخ‌کاری

این گروه را احتمالاً بیشتر از همه می‌شناسیم. در این روش‌ها، یک ابزار برشی با لبه‌های مشخص و هندسه معین، لایه‌ای از ماده را به صورت براده جدا می‌کند. مکانیزم کار مبتنی بر تغییر شکل پلاستیک و شکست برشی ماده است؛ به عبارت دیگر، ابزار با نفوذ در قطعه‌کار، ماده را تحت فشار قرار می‌دهد تا به شکل براده جدا شود.

تراشکاری (Turning) معمولاً برای ایجاد سطوح استوانه‌ای و متقارن به کار می‌رود. در این فرایند قطعه‌کار می‌چرخد و ابزار حرکت خطی دارد.

فرزکاری (Milling) برای ایجاد سطوح تخت، شیارها و کانتورهای پیچیده مناسب است. برخلاف تراشکاری، در اینجا ابزار چندلبه می‌چرخد و قطعه‌کار حرکت پیشروی را انجام می‌دهد.

سوراخ‌کاری (Drilling) هم برای ایجاد سوراخ‌های استوانه‌ای استفاده می‌شود.

۲- سایش: سنگ‌زنی، لپینگ، هونینگ

فرض کنید بخواهیم دقت ابعادی بالاتر یا کیفیت سطح بهتری داشته باشیم. در این شرایط، براده‌برداری معمولی کافی نیست.

در فرایندهای سایشی، حذف ماده توسط تعداد بسیار زیادی از دانه‌های ساینده سخت انجام می‌شود که به صورت تصادفی جهت‌گیری کرده‌اند. هر دانه ساینده مانند یک ابزار برشی میکروسکوپی عمل می‌کند و براده‌های بسیار ریزی را از سطح جدا می‌کند.

سنگ‌زنی (Grinding) یکی از اصلی‌ترین فرایندهای این گروه است. این روش برای دستیابی به دقت ابعادی بسیار بالا و کیفیت سطح عالی، به خصوص روی مواد سخت‌شده، به کار می‌رود.

لپینگ (Lapping) و هونینگ (Honing) فرایندهای فوق دقیق‌تری هستند. این دو برای ایجاد سطوح با صافی آینه‌ای و تلرانس‌های بسیار بسته در حد میکرون استفاده می‌شوند.

این فرایندها معمولاً به عنوان عملیات نهایی (Finishing) پس از براده‌برداری اولیه انجام می‌شوند.

۳- فرایندهای غیرسنتی: EDM و واترجت

اگر ماده بسیار سخت باشد، یا هندسه آنقدر پیچیده باشد که نتوانیم از ابزارهای قبلی استفاده کنیم، فرایندهای غیرسنتی به کار می‌آیند. این فرایندها جای استفاده از ابزارهای سنتی، از انرژی‌های حرارتی، شیمیایی یا الکتریکی استفاده می‌کنند. به عنوان نمونه‌ای از این فرایندها به دو مورد اشاره می‌کنیم.

ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی (Electrical Discharge Machining – EDM) با استفاده از جرقه‌های الکتریکی کنترل‌شده، ماده را ذوب و تبخیر می‌کند. این روش برای ماشین‌کاری مواد بسیار سخت مانند کاربیدها، یا ایجاد هندسه‌های بسیار ظریف مناسب است.

ماشین‌کاری با جت آب (Waterjet Cutting) از یک جریان آب با فشار فوق‌العاده بالا و گاهی همراه با ذرات ساینده برای برش مواد استفاده می‌کند.

مثلث ماشین کاری: قطعه‌کار، ابزار و ماشین

موفقیت هر عملیات ماشین‌کاری به تعامل سه عنصر اصلی بستگی دارد: قطعه‌کاری که قرار است شکل داده شود، ابزاری که عمل برش را انجام می‌دهد، و ماشین‌ابزاری که قدرت و حرکت را فراهم می‌کند. در این بخش، توضیحاتی در مورد این عناصر ارائه خواهیم کرد.

الف) قطعه‌کار (Workpiece)

بعضی قطعات را اصلاً نمی‌توان ماشین‌کاری کرد؛ برخی دیگر قابل ماشین‌کاری هستند اما چالش‌های زیادی دارند. برای توصیف این وضعیت از اصطلاح ماشینکاری‌پذیری (Machinability) استفاده می‌کنیم که سهولت ماشین‌کاری یک ماده را بیان می‌کند.

ماده با ماشین‌کاری‌پذیری خوب، ماده‌ای است که بتوان آن را با کم‌ترین آسیب به ابزارها و با کیفیت سطح مناسب، نیروی برشی کم و کنترل آسان براده ماشین کاری کنیم. عوامل متعددی بر ماشین‌کاری‌پذیری تأثیر می‌گذارند:

۱- خواص مکانیکی: موادی با سختی و استحکام بالا، مقاومت بیشتری در برابر برش نشان می‌دهند که منجر به نیروی برشی، دما و سایش بیشتر ابزار می‌شود. از سوی دیگر، مواد بسیار نرم نیز به دلیل تمایل به چسبندگی (تشکیل BUE) می‌توانند مشکل‌ساز باشند.

۲- خواص حرارتی: هدایت حرارتی بالای ماده باعث می‌شود حرارت تولیدشده در ناحیه برش به سرعت از ابزار دور شده و در بدنه قطعه‌کار پخش شود؛ این امر به خنک ماندن ابزار و افزایش عمر آن کمک می‌کند. موادی مانند آلیاژهای تیتانیوم به دلیل هدایت حرارتی پایین، ماشین‌کاری دشواری دارند.

۳- ساختار میکروسکوپی: وجود عناصر آلیاژی، ناخالصی‌های سخت (مانند کاربیدها) یا فازهای مختلف در ساختار ماده می‌تواند بر نحوه تشکیل براده و سایش ابزار تأثیر بگذارد. برای بهبود ماشین‌کاری‌پذیری، گاهی عناصری مانند گوگرد یا سرب به فولادها اضافه می‌شود (فولادهای خوش‌تراش).

هدف نهایی از ماشینکاری، تبدیل قطعه‌کار به قطعه دلخواه است؛ بنابراین ابزار مناسب و پارامترهای ماشینکاری باید بر اساس ماده سازنده قطعه‌کار انتخاب شوند. برای نمونه، برای ماشین‌کاری یک فولاد سخت‌شده، نیاز به ابزاری بسیار سخت‌تر مانند نیترید بور مکعبی (CBN) و سرعت‌های برشی مشخصی است؛ در حالی که برای ماشین‌کاری آلومینیوم، می‌توان از ابزارهای کاربایدی یا حتی فولاد تندبر (HSS) با سرعت‌های بسیار بالاتر استفاده کرد.

ب) ابزار برشی (Cutting Tool)

در ماشینکاری، ابزار برشی وسیله‌ای است که با کمک آن مواد را از روی قطعه‌کار برمی‌داریم. این ابزار باید در شرایط بسیار سخت (دما، فشار و سایش بالا) عملکرد مورد نظر را انجام دهد. در این بخش با مواد سازنده ابزارها و ویژگی‌های هندسی آن‌ها آشنا می‌شوید.

۱- مواد سازنده ابزارهای برشی

یک ابزار برشی ایده‌آل باید ترکیبی از خواص متضاد را داشته باشد:

سختی: باید به طور قابل توجهی سخت‌تر از قطعه‌کار باشد تا بتواند در آن نفوذ کرده و آن را برش دهد. این سختی باید در دماهای بالا نیز حفظ شود.

چقرمگی: ابزار باید بتواند ضربات و نیروهای متناوب در حین برش را بدون شکستن یا لب‌پریدگی تحمل کند. این خاصیت به ویژه در برش‌های منقطع (مانند فرزکاری) اهمیت دارد.

مقاومت به سایش: برای داشتن عمر طولانی، ابزار باید در برابر مکانیزم‌های مختلف سایش (خراشان، چسبان، نفوذی) مقاوم باشد.

پایداری شیمیایی: ابزار نباید در دماهای بالای فرایند با ماده قطعه‌کار واکنش شیمیایی دهد؛ چون این واکنش‌ها می‌توانند منجر به سایش سریع (مانند سایش نفوذی) شوند. برای مثال، ابزارهای الماسی را نمی‌توان برای ماشین‌کاری فولاد به کار برد زیرا کربن موجود در الماس در آهن حل می‌شود.

چه موادی می‌توانند این ترکیب دشوار را فراهم کنند؟ بعضی از پرکاربردترین آن‌ها عبارتند از:

فولادهای تندبر (HSS – High-Speed Steel): این آلیاژهای فولادی حاوی عناصر آلیاژی مانند تنگستن، مولیبدن، کروم و وانادیم هستند. مزیت اصلی HSS چقرمگی بسیار بالای آن است که آن را برای برش‌های منقطع و ماشین‌هایی با صلبیت کمتر مناسب می‌سازد. با این حال، سختی گرم آن‌ها نسبتاً پایین است و در دماهای بالای ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد به سرعت نرم می‌شوند.

کاربیدهای سمانته (Cemented Carbides): کامپوزیت‌هایی هستند که از ذرات بسیار سخت سرامیکی (مانند کاربید تنگستن – WC) تشکیل شده‌اند که توسط یک زمینه فلزی نرم‌تر (معمولاً کبالت – Co) به هم چسبیده‌اند. کاربیدها سختی گرم بسیار بالاتری نسبت به HSS دارند و امکان ماشینکاری با سرعت‌های ۳ تا ۵ برابر بیشتر را فراهم می‌کنند. امروزه، بسیاری از ابزارهای کاربایدی با لایه‌های نازک و بسیار سخت (مانند TiN, TiCN, Al₂O₃) پوشش داده می‌شوند تا مقاومت به سایش و عمر آن‌ها افزایش یابد.

سرامیک‌ها و سرمت‌ها: ابزارهای سرامیکی (مبتنی بر اکسید آلومینیوم یا نیترید سیلیکون) سختی گرم و پایداری شیمیایی فوق‌العاده‌ای دارند و برای ماشین‌کاری با سرعت بسیار بالا، به ویژه روی چدن‌ها و سوپرآلیاژها مناسب هستند. با این حال، بسیار ترد بوده و به ضربه حساس‌اند. سرمت‌ها (Cermets) ترکیبی از سرامیک (Ceramic) و فلز (Metal) هستند معمولاً بر پایه کاربید تیتانیوم که چقرمگی بهتری نسبت به سرامیک‌های خالص دارند و پرداخت سطح عالی ایجاد می‌کنند.

نیترید بور مکعبی (CBN) و الماس پلی‌کریستال (PCD): این دو ماده در صدر جدول سختی مواد ابزار قرار دارند. CBN دومین ماده سخت شناخته‌شده پس از الماس است و برای ماشین‌کاری فولادهای سخت‌شده، چدن‌های سخت و سوپرآلیاژها ایده‌آل است. PCD سخت‌ترین ماده ابزار است و برای ماشین‌کاری مواد غیرآهنی بسیار ساینده مانند آلومینیوم‌های با سیلیسیم بالا، کامپوزیت‌ها و سرامیک‌ها به کار می‌رود.

۲- شکل هندسی (زوایای ابزار)

هندسه ابزار تاثیر مستقیمی بر کیفیت ماشینکاری، نیروهای برش و عمر ابزار دارد. در میان ویژگی‌های هندسی، زوایای ابزار یکی از مهم‌ترین معیارها برای انتخاب ابزار است. در دیاگرام زیر، سه زاویه اصلی در یک نمای دوبعدی از فرآیند برش (برش متعامد) نشان داده شده است:

زاویه براده (Rake Angle) با نماد $\gamma_o$: این زاویه بین وجه جلویی ابزار (سطحی که براده روی آن می‌لغزد) و صفحه مرجع عمودی ($\pi_R$) قرار دارد. زاویه براده مسیر خروج براده را مشخص کرده و بر چگونگی تشکیل آن تأثیر می‌گذارد. زاویه براده ممکن است مثبت یا منفی باشد. در حالت مثبت (ماننده تصویر)، وجه جلویی ابزار به سمت عقب متمایل است. این هندسه برش را آسان‌تر کرده و نیروی لازم برای جدا کردن براده را کاهش می‌دهد. همچنین دمای کمتری تولید شده و کیفیت سطح بهبود می‌یابد. عیب اصلی آن این است که لبه ابزار نازک‌تر و ضعیف‌تر شده و احتمال شکستن آن افزایش می‌یابد. در حالت منفی، وجه جلویی به سمت جلو متمایل می‌شود. این کار باعث می‌شود لبه ابزار بسیار ضخیم‌تر و مستحکم‌تر شود. این زاویه برای ماشین‌کاری مواد سخت یا برش‌های منقطع (مانند فرزکاری) که ابزار با ضربه مواجه می‌شود، مناسب است. اما نیاز به نیروی برشی بیشتری دارد و دمای بالاتری تولید می‌کند.

زاویه آزاد (Clearance Angle) با نماد $\alpha_o$: این زاویه بین وجه پشتی ابزار و سطح تازه ماشین‌کاری‌شده‌ی قطعه‌کار است. هدف اصلی از ایجاد این زاویه، جلوگیری از اصطکاک مخرب میان ابزار و قطعه‌کار است. تصور کنید این زاویه صفر باشد؛ در این صورت، تمام وجه پشتی ابزار به طور مداوم روی سطح تازه‌برش‌خورده کشیده می‌شود که باعث سایش شدید ابزار، افزایش دما و خراب شدن کیفیت سطح قطعه است. اگر این زاویه خیلی کوچک باشد، سایش وجه آزاد سریع‌تر اتفاق می‌افتد و عمر ابزار کم می‌شود. در مقابل، هرچه این زاویه بزرگ‌تر باشد، فضای بیشتری بین ابزار و قطعه ایجاد شده و اصطکاک کاهش می‌یابد. اما این کار به قیمت ضعیف شدن لبه ابزار تمام می‌شود؛ زاویه آزاد بیش از حد، لبه ابزار را نازک و شکننده می‌کند.

زاویه لبه یا گوه (Lip Angle) با نماد $\delta$: این زاویه، در واقع زاویه‌ی نوک ابزار است که بین وجه براده و وجه آزاد قرار دارد. این زاویه مستقیماً استحکام نوک ابزار را تعیین می‌کند. هر چه زاویه گوه بزرگ‌تر باشد، نوک ابزار قوی‌تر است و حرارت را بهتر دفع می‌کند. برعکس، زاویه کوچکتر به معنای نوک تیزتر اما ضعیف‌تر است.

این سه زاویه به هم وابسته‌اند و در برش متعامد، مجموع آن‌ها همیشه ۹۰ درجه است:

$$ \gamma_o + \alpha_o + \delta = 90^\circ $$

این رابطه نشان می‌دهد که افزایش یکی از زوایا (مثلاً زاویه براده برای برشی نرم‌تر) به قیمت کاهش زاویه‌ی دیگر (مثلاً زاویه لبه و در نتیجه کاهش استحکام) تمام می‌شود.

یک نکته بسیار مهم که اغلب باعث سردرگمی می‌شود، تفاوت در نمادگذاری این زوایا در منابع مختلف است. این موضوع به دلیل وجود دو سیستم استاندارد اصلی است: سیستم ORS که در مراجع اروپایی و بین‌المللی رایج است و سیستم ASA که بیشتر در منابع آمریکایی دیده می‌شود. در سیستم ORS، که تصویر بالا بر اساس آن است، زاویه براده با نماد γ (گاما) و زاویه آزاد با α (آلفا) نمایش داده می‌شود، در حالی که در سیستم ASA این نمادها کاملاً برعکس به کار می‌روند (α برای زاویه براده و γ برای زاویه آزاد). بنابراین، به عنوان یک نتیجه‌گیری کلیدی برای جلوگیری از هرگونه اشتباه، همیشه باید به تعریف و موقعیت زاویه در شکل توجه کرد، نه صرفاً به حرف یونانی آن.

برای درک بهتر زوایای ابزار، دیدن ویدئوی زیر را پیشنهاد می‌کنیم. در این ویدئو، زوایای تیغه برش تراشکاری به زبان انگلیسی مورد بررسی قرار گرفته است.

۳- سایش ابزار و عمر آن

در هر لحظه که ابزار برش مشغول کار است، بخشی از عمر مفید خود را از دست می‌دهد. این فرآیند اجتناب‌ناپذیر است، اما تا حد زیادی قابل مدیریت است. قاعدتاً باید تلاش کنیم سایش غیرضروری ابزار را به حداقل برسانیم، زیرا تأثیر مستقیم و قابل‌توجهی بر هزینه‌های تولید دارد.

فرض کنید یک ابزار کاربایدی ۵۰۰ هزار تومان قیمت دارد و عمرش ۲ ساعت است. یعنی هر دقیقه استفاده از این ابزار، حدود ۴ هزار تومان هزینه دارد. حالا اگر شرایط برشی را طوری تنظیم کنید که عمر ابزار به نصف برسد، هزینه هر دقیقه دو برابر می‌شود. این فقط هزینه خود ابزار است؛ هزینه توقف ماشین برای تعویض ابزار، هزینه قطعات ضایع شده در اثر سایش بیش از حد، و هزینه کاهش کیفیت سطح را هم باید حساب کنید.

از طرف دیگر، وقتی ابزار ساییده می‌شود، دقت ابعادی قطعه کاهش می‌یابد و زبری سطح افزایش پیدا می‌کند. در نهایت، یا باید قطعه را دور بریزید یا عملیات اضافی روی آن انجام دهید.

بنابراین درک مکانیزم‌های سایش و نحوه کنترل آن‌ها، برای مدیریت هزینه و کیفیت حیاتی است.

مکانیزم‌های سایش

ساییده شدن ابزار تحت تأثیر سه مکانیزم مختلف اتفاق می‌افتد:

۱- سایش خراشان (Abrasive Wear): تصور کنید با یک کاغذ سنباده روی چوب کار می‌کنید. ذرات سخت سنباده، کم‌کم از سطح چوب مواد برمی‌دارند. دقیقاً همین اتفاق برای ابزار می‌افتد. در ماده قطعه‌کار، ذرات بسیار سختی وجود دارد، مثل کاربیدها یا اکسیدها. وقتی براده روی سطح ابزار می‌لغزد، این ذرات مثل یک سنباده میکروسکوپی عمل می‌کنند و کم‌کم از سطح ابزار مواد برمی‌دارند. این فرایند شبیه به فرسایش سنگ‌ها در رودخانه است؛ آرام اما مداوم. این مکانیزم در سرعت‌های پایین و متوسط غالب است. هر چه قطعه‌کار سخت‌تر یا حاوی ذرات بیشتری باشد، سایش خراشان شدیدتر می‌شود.

۲- سایش چسبان (Adhesive Wear): حالا تصور کنید دو قطعه فلز را با فشار و دمای بسیار بالا به هم فشار بدهید. در این شرایط، اتم‌های سطحی دو فلز می‌توانند به یکدیگر بچسبند. دقیقاً همین اتفاق بین ابزار و براده می‌افتد. فشار و دمای تماس آن‌قدر بالا است که نقاط کوچکی از سطح ابزار به براده می‌چسبد. وقتی براده حرکت می‌کند، این جوش‌های کوچک پاره می‌شوند و ذرات کوچکی از ابزار را با خودشان می‌برند. گاهی این ذرات جدا شده روی لبه ابزار انباشته می‌شوند و یک لایه ناپایدار می‌سازند (BUE). این لبه دائماً در حال رشد، پاره شدن و دوباره ساخته شدن است؛ هر بار که پاره می‌شود، کمی از ابزار را هم با خودش می‌برد.

۳– سایش نفوذی (Diffusion Wear): این مکانیزم کمی پیچیده‌تر است. تصور کنید یک قطعه شکر را داخل آب داغ بگذارید؛ شکر به تدریج حل می‌شود،. در دماهای بسیار بالا (معمولاً بالای ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد) اتم‌ها می‌توانند از یک ماده به ماده دیگر «نفوذ» کنند. این دقیقاً مثل حل شدن است، اما در حالت جامد. برای مثال، در ابزارهای کاربایدی، اتم‌های کربن یا کبالت از سطح ابزار به داخل براده داغ نفوذ می‌کنند. این نفوذ ساختار ابزار را تضعیف می‌کند و آن را نرم‌تر می‌کند. در نتیجه، ابزار سریع‌تر ساییده می‌شود. این مکانیزم در ماشین‌کاری با سرعت بالا (جایی که دما بسیار بالا می‌رود) غالب است. به همین دلیل است که افزایش جزئی در سرعت برشی می‌تواند عمر ابزار را به‌شدت کاهش دهد.

انواع سایش در ابزار

مکانیزم‌هایی که گفتیم، دو الگوی سایشی در ابزار به وجود می‌آورند:

۱- سایش وجه براده یا دهانه‌ای (Crater Wear): این سایش روی وجه جلویی ابزار(جایی که براده داغ روی آن می‌لغزد) ظاهر می‌شود. به شکل یک گودال یا دهانه است که کم‌کم عمیق‌تر می‌شود. علت اصلی آن ترکیبی از سایش نفوذی و سایش چسبان است. براده با دمای بسیار بالا و تحت فشار زیاد روی این سطح می‌لغزد؛ هم اتم‌ها به داخل براده نفوذ می‌کنند، هم ذرات کوچک از سطح کنده می‌شوند. اگر این دهانه خیلی عمیق شود، لبه ابزار ضعیف می‌شود و ممکن است ناگهان بشکند.

۲- سایش وجه آزاد (Flank Wear): این سایش روی وجه پشتی ابزار (جایی که با سطح تازه ماشین‌کاری‌شده در تماس است) ظاهر می‌شود. به شکل یک نوار صاف و ساییده شده است که کم‌کم پهن‌تر می‌شود. علت اصلی آن سایش خراشان است. ذرات سخت موجود در سطح قطعه، مثل یک سنباده روی وجه آزاد کار می‌کنند. هر چه این نوار پهن‌تر شود، دقت ابعادی قطعه کاهش می‌یابد؛ چون ابزار دیگر در همان نقطه مورد نظر برش نمی‌دهد. به همین دلیل، معمولاً عرض این نوار سایش را به‌عنوان معیار اصلی برای تعیین پایان عمر ابزار استفاده می‌کنند.

تعریف عمر ابزار و معادله تیلور

کی باید ابزار را عوض کنیم؟ عمر ابزار (Tool Life) به مدت زمانی گفته می‌شود که یک ابزار می‌تواند به‌طور مؤثر براده‌برداری کند، تا اینکه به یک حد مشخص سایش برسد. این حد را معمولاً بر اساس عرض نوار سایش وجه آزاد تعیین می‌کنند (مثلاً ۰.۳ میلی‌متر).

عمر ابزار را می‌توان بر حسب زمان (دقیقه)، تعداد قطعات تولیدی، یا طول مسافت برشی بیان کرد.

در سال ۱۹۰۷، فردریک وینسلو تیلور رابطه ساده‌ای کشف کرد که هنوز هم کاربرد دارد:

$$v_c \cdot T^n = C$$

$v_c$ سرعت برشی است.

$T$ عمر ابزار بر حسب دقیقه است.

$n$ یک توان است که به جنس ابزار و قطعه‌کار بستگی دارد (هر چه ابزار مقاوم‌تر باشد، n کوچکتر است).

$C$ یک ثابت است که به سایر شرایط برشی بستگی دارد و برابر با سرعت برشی برای عمر ابزار یک دقیقه است.

قاعدتاً یافتن مقادیری مثل n و C به صورت تجربی است و در دل کار به دست می‌آید. اما هدف اصلی ما از ارائه این رابطه، درک روابط میان متغیرهاست. این معادله نشان می‌دهد رابطه بین سرعت و عمر ابزار توانی است، نه خطی. یعنی اگر سرعت برشی را ۲۰٪ افزایش دهید، عمر ابزار ممکن است به نصف برسد. اگر ۵۰٪ افزایش دهید، عمر ممکن است به یک‌چهارم برسد. این تأثیر بسیار شدید است. چون با افزایش سرعت، دما به‌شدت بالا می‌رود و سایش نفوذی (که حساس‌ترین مکانیزم به دما است) تشدید می‌شود.

پ) ماشین ابزار (Machine Tool)

تصور کنید یک نجار با اره و رنده دستی، چوبی را شکل می‌دهد؛ یا یک مجسمه‌ساز با قلم و چکش، سنگی را می‌تراشد. اما در ماشین‌کاری، ما ابزار را مستقیماً در دست نمی‌گیریم؛ بلکه ابزار را به یک ماشین‌ابزار می‌سپاریم و ماشین، نیرو و حرکت لازم برای براده‌برداری را فراهم می‌کند.

یک ماشین‌ابزار سه وظیفه مهم دارد:

تأمین حرکات نسبی: تصور کنید می‌خواهید یک میله استوانه‌ای بتراشید. ابزار باید در حالی که قطعه می‌چرخد، به آرامی به سمت آن پیش برود؛ اگر سرعت چرخش یا پیشروی حتی اندکی نامنظم باشد، روی سطح قطعه موج و ناهمواری ایجاد می‌شود. ماشین‌ابزار این حرکات را با دقت و سرعت کنترل‌شده فراهم می‌کند.

تأمین قدرت: حالا تصور کنید می‌خواهید فولادی سخت را ماشین‌کاری کنید. ابزار باید با نیروی کافی به داخل فلز فرو رود و براده را جدا کند. اگر موتور ماشین ضعیف باشد، ابزار گیر می‌کند، سرعت می‌افتد و یا اصلاً نمی‌تواند مواد را ببرد. ماشین‌ابزار از طریق موتور و اسپیندل، قدرت لازم برای غلبه بر نیروهای برشی را تأمین می‌کند.

تأمین صلبیت: فرض کنید یک خط‌کش پلاستیکی نرم دارید و می‌خواهید با آن خط مستقیم بکشید؛ اما همین که قلم را فشار می‌دهید، خط‌کش خم می‌شود و خط کج می‌شود. دقیقاً همین اتفاق در یک ماشین غیرصلب می‌افتد. وقتی ابزار به قطعه فشار می‌آورد، نیروی برشی ایجاد می‌شود. اگر بدنه ماشین، اسپیندل یا گیره‌ها به اندازه کافی محکم نباشند، تحت این نیرو خم می‌شوند یا می‌لرزند. در این وضعیت ابزار از مسیر اصلی منحرف می‌شود؛ ابعاد قطعه غلط در می‌آید، سطح زبر و ناصاف می‌شود و ممکن است ابزار بشکند. یک ماشین صلب مثل یک میز سنگی محکم است و هر چقدر هم فشار بیاورید، تکان نمی‌خورد. این صلبیت تضمین می‌کند موقعیت نسبی ابزار و قطعه‌کار دقیقاً همان‌جایی بماند که باید باشد.

اگرچه ماشین‌های ابزار انواع مختلفی مثل ماشین تراش، ماشین فرز و ماشین سنگ دارند اما همگی دارای اجزای مشترکی هستند:

بستر (Bed): فونداسیون اصلی ماشین است که تمام قطعات روی آن سوار می‌شوند. این قاب معمولاً از چدن ریخته‌گری شده و وزنش چند صد کیلوگرم یا حتی چند تن است. چرا که هر لرزش و خمش کوچک در این قاب، مستقیماً به قطعه‌کار منتقل می‌شود و دقت را کاهش می‌دهد.

اسپیندل (Spindle): محوری است که با دقت بالا می‌چرخد و ابزار (در فرزکاری) یا قطعه‌کار (در تراشکاری) را نگه می‌دارد. در ماشین فرز، ابزار برشی (مثل مته) داخل اسپیندل بسته می‌شود و می‌چرخد؛ در ماشین تراش، قطعه‌کار داخل اسپیندل گیر می‌کند و می‌چرخد. به هر حال، اسپیندل همان چیزی است که حرکت چرخشی را ایجاد می‌کند و قدرت موتور را به لبه ابزار می‌رساند. اگر اسپیندل لق باشد یا یاتاقان‌هایش فرسوده شوند، تمام دقت ماشین از بین می‌رود.

میز (Table): میز، سطح کاری ماشین است. در ماشین فرز، قطعه‌کار را روی میز می‌بندید و میز در جهات مختلف (جلو-عقب، چپ-راست) حرکت می‌کند تا قطعه زیر ابزار چرخان قرار بگیرد. در ماشین تراش، ممکن است ساپورت ابزار روی میز حرکت کند. به هر حال، میز باید صاف، هموار و دقیقاً موازی با محورهای ماشین باشد؛ وگرنه هر عیب روی میز، مستقیماً به قطعه‌کار منتقل می‌شود.

سیستم‌های حرکتی (Drives and Ways): حالا که بستر، اسپیندل و میز را داریم، چطور میز را حرکت می‌دهیم؟ تصور کنید می‌خواهید یک جعبه سنگین را روی زمین بکشید؛ اگر زمین صاف و روغن‌کاری‌شده باشد، با کمترین نیرو می‌توانید آن را جابه‌جا کنید. در ماشین ابزارها، همین سیستم تحت عنوان «راهنمای لغزشی» پیش‌بینی شده است که صیقل و روغن‌کاری شده هستند و میز یا ساپورت با کم‌ترین لرزش و کم‌ترین لقی روی آن‌ها حرکت می‌کند. ضمن این که برای به حرکت درآوردن میز به نیرو احتیاج داریم. موتورها (معمولاً سروو موتورها) این نیرو را تأمین می‌کنند. اما چطور نیروی موتور به میز منتقل می‌شود؟ از طریق پیچ‌های ساچمه‌ای (Ball Screws). پیچ ساچمه‌ای شبیه یک پیچ معمولی است، اما به جای اینکه با اصطکاک کار کند، از ساچمه‌های کوچک فولادی استفاده می‌کند که با حداقل اصطکاک حرکت را منتقل می‌کنند. وقتی موتور پیچ را می‌چرخاند، میز با دقت و نرمی حرکت می‌کند. این سیستم به شما امکان می‌دهد میز را با دقت صدم میلی‌متر (یا حتی کمتر) جابه‌جا کنید.

پارامترهای کلیدی فرایند ماشینکاری

در آینده قرار است با انواع مختلف تجهیزات و ماشین‌های ابزار آشنا شویم. اما فارغ از این که از کدام ماشین استفاده می‌کنیم (چه تراش، چه فرز، چه سایر ماشین‌ها) همیشه با سه تصمیم کلیدی روبرو خواهیم بود که باید درباره آن‌ها تصمیم بگیریم. البته این تصمیم‌ها زمانی اهمیت پیدا می‌کنند که قصد داریم کار حرفه‌ای و اصولی انجام دهیم؛ وگرنه خیلی‌ها یک چیزی حدودی تنظیم می‌کنند و سراغ کار می‌روند. اما این سه چالش اصلی چه هستند؟

وقتی می‌خواهیم یک قطعه را روی ماشین تراش یا فرز ماشینکاری کنیم، سه تصمیم اصلی پیش روی اپراتور یا برنامه‌نویس CNC قرار می‌گیرد: سرعت برشی را چقدر تنظیم کنیم؟ ابزار با چه سرعتی روی قطعه پیش برود؟ و عمق برش چقدر باشد؟ این سه پارامتر که به آن‌ها شرایط برشی نیز گفته می‌شود، تعیین می‌کنند که کار چقدر سریع پیش رود، سطح نهایی چه کیفیتی داشته باشد و هزینه تولید چقدر شود.

الف) سرعت برشی

سرعت برشی در واقع سرعت خطی در نقطه‌ای است که ابزار با قطعه تماس دارد. واحد آن معمولاً متر بر دقیقه یا فوت سطحی بر دقیقه است. نکته مهم این است که سرعت برشی و سرعت چرخش اسپیندل دو چیز متفاوت هستند؛ این دو از طریق قطر قطعه‌کار یا قطر ابزار به هم مرتبط می‌شوند. اما فعلاً لازم نیست چگونگی محاسبه سرعت برشی را توضیح دهیم؛ چون برای هر نوع ماشین فرق می‌کند و مناسب‌تر است هر کدام را سر جای خودش، در درس‌های آینده، بررسی کنیم.

اما به عنوان یک قاعده مهم باید بدانیم که سرعت برشی تأثیر قابل‌توجهی روی دمای ناحیه برش دارد. هر چه سرعت بیشتر باشد، حرارت بیشتری تولید می‌شود. با توجه به این که عمر ابزار شدیداً وابسته به دماست، یک رابطه معکوس و قوی بین سرعت برشی و عمر ابزار وجود دارد؛ به‌طوری که افزایش سرعت می‌تواند عمر ابزار را به‌صورت نمایی کاهش دهد. اما از سوی دیگر، افزایش سرعت برشی تا یک حد بهینه، معمولاً کیفیت سطح را بهتر می‌کند؛ چرا که از تشکیل لبه انباشته جلوگیری می‌کند.

ب) نرخ پیشروی

نرخ پیشروی همان سرعت حرکت ابزار در امتداد سطحی است که داریم ماشینکاری می‌کنیم. تعریف دقیق آن بسته به نوع عملیات فرق دارد. در تراشکاری معمولاً به صورت میلی‌متر بر هر دور چرخش قطعه‌کار بیان می‌شود. در فرزکاری به صورت میلی‌متر بر هر دندانه ابزار تعریف می‌شود، و سپس این مقدار در تعداد دندانه‌ها و سرعت چرخش ضرب می‌شود تا نرخ پیشروی میز به دست آید.

این محاسبات را در درس‌های آینده بیشتر بررسی می‌کنیم. اما فعلاً باید بدانیم که نرخ پیشروی تأثیر مستقیمی بر زبری سطح دارد. اگر فرض کنیم ابزاری با نوک گرد داریم، هرچه پیشروی بیشتر باشد، فاصله بین قله‌های ایجادشده در هر پاس بیشتر می‌شود و در نتیجه سطح خشن‌تر خواهد شد. به همین دلیل، برای عملیات پرداخت‌کاری از نرخ پیشروی پایین استفاده می‌کنیم. از طرف دیگر، نرخ پیشروی یکی از عوامل اصلی در تعیین نرخ براده‌برداری است. افزایش پیشروی یعنی کاهش زمان ماشینکاری و افزایش بهره‌وری.

پ) عمق برش

عمق برش یعنی میزان نفوذ ابزار به داخل قطعه‌کار در هر پاس. در تراشکاری، این مقدار برابر است با نصف اختلاف قطر اولیه و نهایی قطعه. در فرزکاری به آن عمق برش محوری یا شعاعی می‌گویند. عمق برش تأثیر خطی و مستقیمی بر نیروهای برشی، توان موردنیاز و نرخ براده‌برداری دارد. به عبارت ساده، دو برابر کردن عمق برش تقریباً نیروها و توان را هم دو برابر می‌کند.

در عملیات خشن‌کاری از عمق برش بالا برای برداشت سریع حجم زیادی از ماده استفاده می‌کنیم؛ البته به شرطی که ماشین‌ابزار و ابزار برشی قدرت و صلبیت کافی برای تحمل نیروهای بالا را داشته باشند. در عملیات پرداخت‌کاری، عمق برش کم انتخاب می‌شود تا به دقت ابعادی و کیفیت سطح مطلوب برسیم.

ت) نرخ براده‌برداری

این سه پارامتر که تاکنون بررسی کردیم، مستقیماً با یک مفهوم کلیدی به نام نرخ براده‌برداری در ارتباط هستند. نرخ براده‌برداری حجمی از ماده است که در واحد زمان از قطعه‌کار جدا می‌شود و مهم‌ترین معیار سنجش بهره‌وری در یک عملیات ماشینکاری به شمار می‌رود. واحد آن معمولاً سانتی‌متر مکعب بر دقیقه یا اینچ مکعب بر دقیقه است.

نرخ براده‌برداری از حاصل‌ضرب همان سه پارامتر اصلی برشی به دست می‌آید: سرعت برشی، نرخ پیشروی و عمق برش.

MRR از حاصلضرب سه پارامتر اصلی برشی به دست می‌آید:

$$MRR \approx v_c \times f \times d$$

در این رابطه ساده‌شده، $v_c$ سرعت برشی، $f$ نرخ پیشروی و $d$ عمق برش است.

هدف اصلی در بسیاری از عملیات ماشینکاری، به‌ویژه در خشن‌کاری، دستیابی به بالاترین نرخ براده‌برداری ممکن است؛ چرا که این به معنای زمان کوتاه‌تر ماشینکاری و در نتیجه هزینه تولید پایین‌تر خواهد بود.

اما افزایش نرخ براده‌برداری با محدودیت‌هایی همراه است. هر چه این نرخ بالاتر باشد، ماشین باید قدرت بیشتری برای تحمل بار اضافی داشته باشد. علاوه بر این، نیروهای برشی نیز افزایش می‌یابند و احتمال شکست ابزار یا ایجاد ارتعاش بیشتر خواهد شد. ضمن این که نرخ براده‌برداری بالا معمولاً با کیفیت سطح پایین‌تر همراه است. از این رو، بهینه‌سازی فرایند ماشینکاری اغلب به معنای یافتن بهترین ترکیب از این سه پارامتر است؛ ترکیبی که بالاترین نرخ براده‌برداری را در عین برآورده ساختن الزامات مربوط به کیفیت سطح، دقت ابعادی و عمر ابزار اقتصادی، فراهم کند.

براده به عنوان مهم‌ترین راهنمای ماشینکاری

وقتی از ماشینکاری صحبت می‌کنیم، اولین چیزی که به ذهن می‌رسد شاید شکل نهایی قطعه یا دقت ابعادی آن باشد. اما در این میان، ماده‌ای که از قطعه‌کار برداشته می‌شود نیز اهمیت زیادی دارد و درک عمیق‌تری از فرایند به ما می‌دهد. این ماده آن‌قدر مهم است که اگر آن را درست نشناسیم، نمی‌توانیم ادعا کنیم که از ماشینکاری سردرمی‌آوریم.

الف) براده چیست؟

در ساده‌ترین تعریف، براده یا Chip همان ماده‌ای است که از قطعه‌کار جدا می‌شود تا شکل و ابعاد دلخواه حاصل شود.

اما اگر بخواهیم دقیق‌تر صحبت کنیم، براده محصول یک تغییر شکل پلاستیک بسیار شدید است. وقتی ابزار برشی به قطعه‌کار فشار می‌آورد، ماده جلوی ابزار فشرده می‌شود و تنش برشی در آن بالا می‌رود. زمانی که این تنش به حد بحرانی رسید، ماده در یک صفحه باریک تسلیم می‌شود و جدا می‌شود و روی سطح جلوی ابزار می‌لغزد. این ماده همان براده است.

ب) چرا شناخت براده مهم است؟

فرض کنید دارید یک قطعه فولادی را تراش می‌کنید. نمی‌توانید مستقیماً ببینید که لبه ابزار چقدر داغ شده، یا چه نیرویی به قطعه وارد می‌شود، یا آیا ابزار دارد کُند می‌شود یا نه. اما براده‌ها این اطلاعات را به شما خواهند داد؛ به شرطی که خواندن آن‌ها را بلد باشید.

۱- سلامت فرایند: یک براده خوب، یعنی براده‌ای که شکل یکنواختی دارد، رنگش منظم است و به صورت پیوسته یا قطعات منظم از ناحیه برش خارج می‌شود. چنین براده‌ای نشان می‌دهد همه چیز روی روال عادی پیش می‌رود. اما اگر براده‌ها نامنظم باشند، یعنی گاهی ضخیم و گاهی نازک باشد، می‌تواند نشانه لرزش (Chatter) باشد. به عبارتی با این براده می‌فهمیم که احتمالاً ابزار و قطعه دارند نسبت به هم ارتعاش می‌کنند. این نه‌تنها روی کیفیت سطح اثر می‌گذارد، بلکه می‌تواند ابزار را زودتر بشکند. یا مثلاً اگر براده‌ها رنگ سوخته داشته باشند و خیلی تیره یا حتی آبی شوند، نشانه این است که دمای فرایند خیلی بالا رفته است. این می‌تواند به این معنی باشد که سرعت برش زیاد است، یا سیال برشی به درستی به ناحیه برش نمی‌رسد، یا ابزار کُند شده و دارد به جای برش، ماده را له می‌کند.

۲- کیفیت سطح: نوع براده ارتباط مستقیمی با کیفیت سطحی دارد که روی قطعه‌کار باقی می‌ماند. مثلاً اگر براده از نوع پیوسته و صاف باشد، احتمالاً سطح قطعه هم صاف و یکنواخت می‌شود. اما اگر براده‌ها به شکل قطعات نامنظم و خرد شده باشند، یا اگر ببینید که روی براده‌ها لکه‌های چسبیده از جنس قطعه‌کار وجود دارد، این هشدار است. یکی از مشکلات رایج، تشکیل چیزی به نام لبه انباشته (BUE) است. این اتفاق وقتی می‌افتد که تکه‌های کوچکی از ماده قطعه‌کار به لبه ابزار می‌چسبند و روی آن انباشته می‌شوند. این لایه چسبیده مدام در حال تشکیل و فروریختن است؛ در نتیجه سطحی ناهموار و خشن به وجود می‌آید. اگر در براده‌ها نشانه‌هایی از این لبه انباشته ببینید (مثلاً براده‌هایی که روی لبه‌شان لایه‌های برجسته یا ناهمواری دارند) می‌دانید که باید سرعت برش را بالاتر ببرید یا سیال برشی بهتری استفاده کنید.

عمر ابزار: شکل براده و نحوه تماس آن با ابزار، مستقیماً روی عمر ابزار اثر می‌گذارد. براده‌های بلند و پیوسته، اگر کنترل نشوند، مشکل‌ساز هستند. آن‌ها می‌توانند به دور قطعه‌کار، گیره‌ها و حتی ابزار بپیچند. این می‌تواند سطح تمام‌شده قطعه را خراب کند، یا در بدترین حالت، ابزار را بشکند. از طرف دیگر، اگر براده خیلی ضخیم باشد، یعنی ابزار مجبور است نیروی زیادی وارد کند تا ماده را جدا کند. این نیرو باعث می‌شود ابزار سریع‌تر ساییده شود. یا اگر براده به شکلی باشد که دائماً روی سطح جلوی ابزار می‌خراشد، می‌تواند باعث سایش دهانه‌ای—یعنی ایجاد یک گودی روی سطح ابزار—بشود.

نیرو و دما: وقتی براده‌ها را می‌بینید، در واقع دارید نتیجه یک فرایند بسیار پرانرژی را مشاهده می‌کنید. ضخامت براده به شما می‌گوید که چقدر ماده در هر لحظه در حال جدا شدن است. هر چه براده ضخیم‌تر باشد، یعنی نیروی بیشتری لازم است تا آن را از قطعه جدا کنید. همچنین، میزان تغییر شکلی که در براده دیده می‌شود (مثلاً این که براده چقدر نسبت به ضخامت اولیه‌اش کلفت‌تر شده) نشان می‌دهد چقدر انرژی صرف خم کردن و شکل دادن به ماده شده است. این انرژی عمدتاً به گرما تبدیل می‌شود. پس اگر براده‌ها خیلی کلفت یا خیلی داغ باشند، می‌دانید که فرایند شما پرانرژی است و احتمالاً دمای بالایی در ناحیه برش وجود دارد؛ چیزی که می‌تواند هم برای ابزار و هم برای قطعه‌کار مضر باشد.

پ) مدلی برای درک چگونگی شکل‌گیری براده

براده دقیقاً چطور ساخته می‌شود؟ برای فهمیدن این موضوع، می‌توانیم از یک مدل ساده به نام برش متعامد (Orthogonal Cutting) استفاده کنیم.

توجه داشته باشید که وقتی می‌گوییم «مدل»، یعنی لزوماً همه آن‌چه در واقعیت اتفاق می‌افتد را نشان نمی‌دهد، بلکه سعی می‌کند توصیف مفید و تقریباً درستی از آن ارائه دهد.

این مدل می‌گوید: «فرض کنید که تمام فرایند تشکیل براده در دو صفحه باریک متمرکز شده است. یک صفحه جایی است که براده متولد می‌شود (ناحیه برش اولیه). صفحه دیگر جایی است که براده از روی ابزار می‌لغزد (ناحیه برش ثانویه)».

البته در واقعیت، این نواحی کاملاً باریک نیستند و توزیع تنش و کرنش پیچیده‌تر است؛ اما این مدل به ما کمک می‌کند که بفهمیم چه اتفاقی می‌افتد و چرا پارامترهایی مثل سرعت برشی یا هندسه ابزار مهم هستند.

در این نمودار، ابزار برشی از سمت راست به چپ حرکت می‌کند و قطعه‌کار را می‌برد. براده از جلوی ابزار به سمت بالا خارج می‌شود. دو ناحیه مهم به نام‌های ناحیه برش اولیه (Primary shear zone) و ناحیه برش ثانویه (Secondary shear zone) مشخص شده است. در هر کدام از این نواحی چه اتفاقی می‌افتد؟

۱- ناحیه برش اولیه: این ناحیه یک صفحه باریک در جلوی لبه برنده ابزار است. وقتی ابزار به فلز فشار می‌آورد، فلز جلوی ابزار شروع به فشرده شدن می‌کند. این فشار باعث افزایش تنیش می‌شود. در یک نقطه خاص، این تنش آنقدر زیاد می‌شود که دیگر ماده نمی‌تواند مقاومت کند. در این لحضه ماده شروع به لغزیدن روی خودش می‌کند؛ یعنی لایه‌های ماده نسبت به هم جابه‌جا می‌شوند. در این ناحیه، ماده تحت یک تغییر شکل شدید قرار می‌گیرد. این کرنش بسیار زیاد و بسیار سریع اتفاق می‌افتد؛ همین باعث می‌شود ماده به شدت گرم شود.

۲- ناحیه برش ثانویه (جایی که براده می‌لغزد): بعد از این‌که براده در ناحیه اولیه تشکیل شد، کار تمام نیست. این براده (که حالا داغ و سخت شده) باید از جلوی ابزار عبور کند و خارج شود. براده روی سطح جلویی ابزار می‌لغزد. این سطح را وجه براده (Rake Face) می‌نامند؛ یعنی قسمتی از ابزار که براده مستقیماً روی آن تماس پیدا می‌کند. براده با فشار بالا روی ابزار فشرده شده و در حال لغزیدن است. این باعث اصطکاک شدیدی می‌شود. اصطکاک باعث می‌شود که یک لایه نازک از خود براده (لایه‌ای که مستقیماً با ابزار تماس دارد) دوباره تحت تغییر شکل قرار بگیرد. برای همین می‌بینیم که براده‌ها بعد از جدا شدن، شکل متفاوتی پیدا می‌کنند.

ت) انواع اصلی براده

براده‌ها به اشکال مختلفی ظاهر می‌شوند؛ گاهی یک نوار بلند و پیوسته، گاهی قطعات کوچک و جداجدا، و گاهی هم با ظاهری عجیب و غریب. اگرچه دسته‌بندی‌های مختلفی وجود دارد، یک طبقه‌بندی دقیق علمی بر اساس شکل ظاهری (مورفولوژی) براده است که آن‌ها را به چهار گروه اصلی زیر تقسیم می‌کند:

۱. براده پیوسته (Continuous Chip): این نوع براده به صورت یک روبان بلند و یکنواخت شکل می‌گیرد؛ مشخصه اصلی ماشین‌کاری مواد نرم و شکل‌پذیر (Ductile) مانند آلومینیوم، مس و فولادهای کم‌کربن در سرعت‌های برشی بالاست. تشکیل براده پیوسته معمولاً با پرداخت سطح مناسبی همراه است. با این حال، یک عیب بزرگ آن، تمایل به در هم پیچیدن و ایجاد توده‌های بزرگ از براده است که می‌تواند خطرناک بوده و فرایند را مختل کند. به همین دلیل، استفاده از براده‌شکن برای قطعه‌قطعه کردن این نوع براده ضروری است.

۲. براده لایه‌ای (Lamellar Chip): این براده در واقع نوع خاصی از براده پیوسته است که ساختار داخلی آن از لایه‌های نازک (lamellae) تشکیل شده که روی یکدیگر لغزیده‌اند. این ساختار ورقه‌ورقه، حاصل مکانیزم تغییر شکل برشی دوره‌ای در مواد شکل‌پذیر است و در ماشین‌کاری بسیاری از فلزات رایج مانند فولادها و آلیاژهای آلومینیوم در شرایط برش پایدار دیده می‌شود. در واقع، بسیاری از براده‌های پیوسته سالم، در زیر میکروسکوپ ساختار لایه‌ای دارند. تشکیل این نوع براده به خودی خود یک پدیده طبیعی و نه لزوماً بد است و اغلب با کیفیت سطح قابل قبول همراه است. با این حال، میزان لغزش و فاصله بین لایه‌ها می‌تواند نشانه‌ای از میزان اصطکاک روی سطح ابزار و نیروهای برشی باشد.

۳. براده دندانه‌دار یا قطعه‌قطعه (Serrated/Segmented Chip): این نوع براده، ظاهری شبیه به دندانه‌های اره دارد و از بخش‌هایی با تغییر شکل برشی شدید و بخش‌هایی با تغییر شکل کمتر تشکیل شده است. براده دندانه‌دار معمولاً در ماشین‌کاری موادی که هدایت حرارتی پایینی دارند و در سرعت‌های بالا نرم می‌شوند (مانند تیتانیوم و آلیاژهای پایه نیکل) مشاهده می‌شود. این پدیده ناشی از یک ناپایداری ترمومکانیکی به نام “برش آدیاباتیک” است. اگرچه ظاهر نامطلوبی دارد، در ماشین‌کاری این مواد خاص، یک پدیده طبیعی و مورد انتظار محسوب می‌شود.

۴. براده گسسته (Discontinuous Chip): این براده به صورت قطعات کاملاً جدا از هم و نامتصل شکل می‌گیرد. این نوع معمولاً هنگام ماشین‌کاری مواد ترد (Brittle) مانند چدن خاکستری، برنج و برخی برنزها تشکیل می‌شود. این اتفاق برای مواد ترد طبیعی است، اما اگر در ماشین‌کاری مواد نرم دیده شود، نشانه‌ای از شرایط نامطلوب مانند سرعت بسیار پایین، پیشروی بالا یا زاویه براده نامناسب است. اگرچه حمل‌ونقل این براده‌ها آسان است، تشکیل آن‌ها با نوسان شدید نیروهای برشی همراه بوده و می‌تواند منجر به کیفیت سطح ضعیف‌تر و لرزش شود.

ث) پدیده لیه انباشته (BUE)

اکنون که با انواع براده به عنوان یک ابزار تشخیصی قدرتمند آشنا شدیم، زمان آن است که به یک پدیده حیاتی دیگر بپردازیم که می‌تواند تمام تحلیل‌های ما را تحت تأثیر قرار دهد. لبه انباشته (Built-Up Edge – BUE) یک نوع براده نیست، بلکه یک عامل مخرب است که روی خود براده دیده نمی‌شود، بلکه روی لبه ابزار اتفاق می‌افتد. یادگیری نحوه شناسایی و کنترل آن، مرز بین یک اپراتور عادی و یک متخصص ماشین‌کاری را مشخص می‌کند و گامی فراتر در ارزیابی فرایند است.

در شرایط خاصی، هنگام ماشین‌کاری مواد نرم و چسبنده (مانند آلومینیوم و فولادهای نرم) در سرعت‌های متوسط، لایه‌هایی از ماده قطعه‌کار به دلیل فشار و دمای بالا به لبه ابزار جوش می‌خورند. این لایه انباشته‌شده (که به آن BUE می‌گویند) به شدت کارسخت و سخت‌تر از خود ماده قطعه‌کار است و عملاً به عنوان یک لبه برنده جدید و ناپایدار عمل می‌کند.

BUE به طور متناوب شکل می‌گیرد و فرو می‌ریزد. بخشی از آن با براده (که معمولاً از نوع پیوسته است) خارج می‌شود و بخشی دیگر روی سطح ماشین‌کاری‌شده باقی می‌ماند که نتیجه‌اش سطحی بسیار خشن و نادقیق است. این پدیده یکی از دلایل اصلی افت کیفیت سطح در ماشین‌کاری است. افزایش سرعت برشی و استفاده از سیال برشی مناسب، راه‌های اصلی جلوگیری از تشکیل BUE هستند.

ج) کنترل براده

گفتیم که براده‌های بلند و سرگردان می‌توانند مشکلات متعددی ایجاد کنند: به دور قطعه‌کار، ابزارگیر و اسپیندل می‌پیچند و فرایند را متوقف می‌کنند؛ به سطح تمام‌شده قطعه آسیب می‌زنند و آن را خراب می‌کنند؛ برای اپراتور خطرآفرین هستند و باعث جراحت می‌شوند؛ تخلیه آن‌ها از محوطه ماشین‌کاری دشوار است و مانع از رسیدن سیال برشی به ناحیه برش می‌شوند.

از این رو نیاز داریم براده را کنترل کنیم تا براده‌هایی تولید شود که به راحتی از ناحیه برش دور شده و جمع‌آوری شوند.

برای حل مشکل براده‌های پیوسته، از ویژگی هندسی خاصی روی وجه براده ابزار استفاده می‌شود که به آن براده‌شکن می‌گویند.

در گذشته، براده‌شکن معمولاً یک صفحه فلزی جداگانه بود که به روی تیغه ابزار پیچ می‌شد، اما امروزه تقریباً در همه ابزارهای مدرن، براده‌شکن به صورت یکپارچه و جدایی‌ناپذیر بخشی از خود ابزار است و مستقیماً روی سطح آن ساخته می‌شود. این ویژگی هندسی می‌تواند یک مانع یا برآمدگی، یک شیار یا فرورفتگی، و یا یک پروفیل پیچیده‌تر باشد که ترکیبی از شیارها و زوایای مختلف را در خود دارد.

وظیفه براده‌شکن این است که براده را پس از تشکیل و هنگامی که روی وجه ابزار در حال حرکت است، به انحراف از مسیر مستقیم خود وادار کند. با برخورد براده به براده‌شکن، براده مجبور می‌شود با شعاع انحنای کمی خم شود؛ این خم شدن شدید، کرنش اضافی در سطح بیرونی براده ایجاد کرده و در نهایت باعث شکستن آن می‌شود. به این ترتیب، به جای یک براده بلند و پیوسته که مشکل‌ساز است، براده‌های کوتاه و قابل کنترلی تولید می‌شود که به راحتی از ناحیه برش دور شده و جمع‌آوری می‌شوند.

سیالات برشی در ماشینکاری

وقتی از ماشینکاری صحبت می‌کنیم، یکی از مسائلی که نمی‌توان نادیده گرفت، مساله حرارت است. در بخش‌های قبلی دیدیم که ماشینکاری حرارت قابل توجهی تولید می‌کند؛ حرارتی که می‌تواند عمر ابزار را کاهش دهد و کیفیت قطعه‌کار را تحت تاثیر قرار دهد. اصطکاک میان ابزار و قطعه‌کار و سایش ناشی از آن، مساله دیگری است که باید با آن کنار آمد.

حل کامل این مسائل به ملاحظات زیادی نیاز دارد. مثلاً دیدیم که در طراحی ابزارها، زوایای خاصی را در نظر می‌گیرند. یا نحوه تنظیم پارامترهای ماشینکاری روی آن اثر می‌گذارد. در این میان، یکی دیگر از راهکارها استفاده از سیالات برشی است که در محیط‌های کارگاهی به آب صابون نیز معروف است.

سیالات برشی چه فوایدی می‌توانند داشته باشند؟

قبل از اینکه به انواع سیالات برشی برسیم، بهتر است بدانیم این سیالات اصلاً چه کارهایی می‌توانند برای ما انجام دهند. البته یک نکته مهم را باید در نظر داشت: همه سیالات برشی تمام این کارکردها را ندارند. برخی سیالات فقط در یکی دو مورد قوی هستند و در بقیه ضعیف‌تر عمل می‌کنند. به طور کلی، سیالات برشی می‌توانند چهار کار اصلی انجام دهند:

خنک‌کاری: یکی از مهم‌ترین کارهایی که سیالات برشی انجام می‌دهند، جذب حرارت است. در حین ماشینکاری، ابزار برشی با سرعت بالا روی قطعه‌کار حرکت می‌کند و فلز را می‌برد. این فرایند مقدار زیادی حرارت تولید می‌کند که می‌تواند به ابزار، قطعه‌کار و حتی براده‌های تولیدشده آسیب برساند. سیال برشی را معمولاً به صورت پیوسته و در حین کار روی نقطه تماس ابزار و قطعه می‌ریزند. این سیال حرارت را جذب می‌کند و با خود می‌برد. در واقع مثل این است که در حین برش، یک جریان مایع سرد داریم که دائماً حرارت را از محل کار می‌گیرد و دور می‌کند. در این میان، آب بهترین خنک‌کننده است، چون ظرفیت گرمایی بالایی دارد. به همین دلیل است که بسیاری از سیالات برشی، آب را به عنوان جزء اصلی دارند.

روانکاری: کار دیگری که سیالات برشی انجام می‌دهند، کاهش اصطکاک است. وقتی ابزار روی قطعه‌کار حرکت می‌کند، اصطکاک بین آن‌ها باعث می‌شود فلز روی فلز بسایید. این سایش هم باعث تولید حرارت اضافه و سایش ابزار می‌شود.  سیال برشی با ایجاد یک لایه نازک بین ابزار و قطعه، این اصطکاک را کم می‌کند. در واقع مثل روغن موتور عمل می‌کند که باعث می‌شود قطعات راحت‌تر روی هم بلغزند. این کاهش اصطکاک چند فایده دارد: اول اینکه حرارت کمتری تولید می‌شود. دوم اینکه نیروی مورد نیاز برای برش کاهش پیدا می‌کند. سوم اینکه سایش ابزار کمتر می‌شود. چهارم ایت که می‌تواند از تشکیل لبه انباشته نیز جلوگیری کند.

شستشوی براده‌ه‌ها: وقتی فلز را می‌بریم، براده تولید می‌شود. این براده‌ها قطعات کوچک فلزی هستند که اگر در محل برش بمانند، می‌توانند مشکل‌ساز شوند. ممکن است بین ابزار و قطعه گیر کنند و باعث خراشیدگی سطح قطعه شوند. یا اینکه روی سطح برش تداخل ایجاد کنند و کیفیت کار را پایین بیاورند. سیال برشی با جریان پیوسته‌ای که دارد، این براده‌ها را از محل برش شسته و دور می‌کند. در واقع یک نوع تمیزکاری مداوم در حین کار انجام می‌دهد. این کار باعث می‌شود ابزار همیشه با یک سطح تمیز در تماس باشد و براده‌ها نتوانند اختلالی ایجاد کنند.

محافظت در برابر خوردگی: یک مساله‌ای که شاید کمتر به ذهن برسد، خوردگی است. فلزات، به خصوص در حضور رطوبت و اکسیژن، ممکن است زنگ بزنند یا خورده شوند. وقتی در حین ماشینکاری از سیالاتی استفاده می‌کنیم که آب دارند، این خطر وجود دارد که قطعه‌کار بعد از پایان کار شروع به زنگ زدن کند. برخی از سیالات برشی ترکیباتی دارند که روی سطح فلز یک لایه محافظ ایجاد می‌کنند. این لایه مانع می‌شود رطوبت و اکسیژن مستقیماً با فلز تماس پیدا کنند و باعث خوردگی شوند. به این ترتیب، قطعه‌کار حتی بعد از ماشینکاری هم محافظت می‌شود.

 انواع سیالات برشی

حالا که می‌دانیم سیالات برشی چه کارهایی می‌توانند انجام دهند، نوبت به این می‌رسد که ببینیم چه انواعی از این سیالات وجود دارند. سیالات برشی را می‌توان به چهار دسته اصلی تقسیم کرد که هر کدام ترکیب و ویژگی‌های متفاوتی دارند:

روغن‌های خالص: این نوع سیالات در واقع روغن‌های معدنی یا نفتی هستند که هیچ آبی در ترکیب‌شان نیست. بهترین خاصیت آن‌ها روانکاری است. به همین دلیل برای عملیات سنگینی که نیاز به کاهش اصطکاک بالا دارند، ماننده رزوه‌زنی، استفاده می‌شوند. این عملیات معمولاً با سرعت پایین انجام می‌شوند و فشار زیادی روی ابزار وارد می‌کنند. اما یک نقطه ضعف این سیال، خنک‌کاری ضعیف است و چون آب ندارند، نمی‌توانند حرارت را به خوبی جذب کنند.

امولسیون‌ها  یا روغن‌های حل‌شونده: این رایج‌ترین نوع سیالات برشی هستند. امولسیون یعنی ترکیبی از روغن و آب که به صورت مخلوط یکنواختی درآمده‌اند. معمولاً افزودنی‌های شیمیایی هم به آن‌ها اضافه می‌کنند تا این دو ماده با هم قاطی شوند و جدا نشوند. این سیالات تعادل خوبی بین خنک‌کاری و روانکاری دارند: از یک طرف به خاطر آب، حرارت را خوب جذب می‌کنند. از طرف دیگر به خاطر روغن، اصطکاک را کاهش می‌دهند. به همین دلیل برای طیف وسیعی از کارها مناسب هستند.

سیالات سنتتیک: این سیالات اصلاً روغن ندارند. آن‌ها محلول‌هایی از ترکیبات شیمیایی در آب هستند. بهترین خاصیت آن‌ها خنک‌کاری است. چون عمدتاً از آب تشکیل شده‌اند، حرارت را بسیار خوب جذب می‌کنند. یک ویژگی دیگرشان این است که شفاف هستند؛ یعنی می‌توان از میان آن‌ها محل کار را دید. اما نقطه ضعف‌شان روانکاری ضعیف است. چون روغن ندارند، نمی‌توانند اصطکاک را به خوبی کاهش دهند.

سیالات نیمه‌سنتتیک: این نوع در واقع ترکیبی از امولسیون‌ها و سنتتیک‌ها هستند. نسبت به امولسیون‌ها مقدار کمی روغن دارند و بقیه آب و ترکیبات شیمیایی است. خواص متعادلی ارائه می‌دهند که بین خنک‌کاری خوب و روانکاری قابل قبول قرار دارد.

کیفیت سطح در ماشین کاری

فرض کنید یک قطعه فلزی را تراشکاری کرده‌اید. با دست روی سطح آن می‌کشید و می‌بینید صاف است.

اما آیا واقعاً صاف است؟ اگر با میکروسکوپ نگاه کنید، متوجه می‌شوید که سطح پر از دره و تپه‌های ریز است. این ناهمواری‌ها روی عملکرد قطعه تأثیر می‌گذارند. مثلاً اگر قطعه بخواهد روی قطعه دیگری بلغزد، ناهمواری‌ها باعث اصطکاک و سایش می‌شوند. یا اگر قطعه در معرض خوردگی باشد، این ناهمواری‌ها می‌توانند نقطه شروع خوردگی باشند.

اما ماجرا فقط به ناهمواری‌های سطح ختم نمی‌شود. در حین ماشین‌کاری، تغییراتی در ساختار داخلی لایه سطحی قطعه هم رخ می‌دهد که با چشم اصلاً قابل مشاهده نیستند. تغییراتی که می‌توانند قطعه را مقاوم‌تر کنند یا برعکس، عمرش را کوتاه کنند.

پس وقتی از کیفیت سطح حرف می‌زنیم، منظورمان دو چیز است:

اول ناهمواری‌های ظاهری سطح که به آن زبری سطح می‌گویند. این مورد مستقیماً روی اصطکاک، سایش و ظاهر قطعه تأثیر می‌گذارد.

دوم تغییرات داخلی لایه سطحی که شامل تغییر در سختی و ایجاد تنش‌های پنهان می‌شود. این موارد روی دوام و عمر قطعه اثر دارند.

البته جنبه‌های دیگری هم وجود دارد؛ مثلاً تغییرات شیمیایی سطح یا اکسیداسیون. اما در این بخش روی دو مورد اول تمرکز می‌کنیم، چون در عمل بیشترین تأثیر را دارند و قابل کنترل‌تر هستند.

الف) زبری سطح و عوامل مؤثر بر آن

زبری سطح همان ناهمواری‌های ریز است که با چشم غیرمسلح دیده نمی‌شوند. وقتی می‌گوییم سطحی «صاف» است، منظورمان این است که زبری آن کم است؛ یعنی تپه و دره‌های سطح آن‌قدر ریز هستند که قابل احساس نیستند.

حالا سؤال این است که چطور این ناهمواری را اندازه بگیریم؟

یکی از متداول‌ترین پارامترها $R_a$ است. برای محاسبه $R_a$، یک دستگاه روی سطح قطعه حرکت می‌کند و ارتفاع نقاط مختلف را اندازه می‌گیرد. بعد یک خط میانگین رسم می‌کنیم که از وسط این تپه‌ها و دره‌ها می‌گذرد؛ $R_a$ میانگین فاصله نقاط سطح تا این خط میانگین است.

به زبان ساده $R_a$ مشخص می‌کند که به طور متوسط سطح چقدر از یک سطح کاملاً صاف فاصله دارد. هرچه این عدد کوچک‌تر باشد، سطح صاف‌تر است.

اما در ماشینکاری، چه عواملی روی زیری تاثیرگذارند؟ این عوامل متعددند. اما در تئوری، خیلی اوقات فرض را بر این می‌گذارند که زبری فقط به نرخ پیشروی ($f$) و شعاع نوک ابزار ($r$) وابسته است. در این مدل ساده، ارتباط میان پارامترها چنین نشان داده می‌شود:

$$R_a \approx \frac{f^2}{8r}$$

این فرمول نشان می‌دهد اگر پیشروی کمتر باشد یا شعاع نوک ابزار بزرگ‌تر باشد، سطح صاف‌تری به دست می‌آید. منطقی است؛ چون ابزار با شعاع بزرگ‌تر، اثر ناهمواری‌ها را کم می‌کند. اما به جز این دو پارامتر، عوامل زیر نیز به طور قابل توجهی روی زبری سطح تأثیر می‌گذارند:

لرزش ماشین و قطعه: اگر ماشین یا قطعه در حین کار بلرزند، حتی اندکی، این لرزش روی سطح ثبت می‌شود و ناهمواری ایجاد می‌کند.

سایش ابزار: ابزار تازه و ابزار ساییده‌شده یکسان کار نمی‌کنند. ابزار ساییده‌شده ماده را می‌خراشد تا ببرد، نه اینکه تمیز ببرد.

چسبیدن فلز به ابزار: گاهی تکه‌های کوچکی از فلز قطعه به نوک ابزار می‌چسبند (همان پدیده BUE که در بخش براده گفتیم). این تکه‌ها عملاً شکل نوک ابزار را تغییر می‌دهند و باعث بی‌نظمی سطح ماشین‌کاری شده می‌شوند.

سرعت برش: سرعت بالا دمای منطقه برش را بالا می‌برد. این دما روی نحوه جدا شدن براده و در نتیجه زبری نهایی تأثیر می‌گذارد.

ب) اثرات متالورژیکی ماشین‌کاری

وقتی یک قطعه فلزی را ماشین‌کاری می‌کنیم، فقط شکل ظاهری آن تغییر نمی‌کند. در لایه‌ای نازک زیر سطح، اتفاقات دیگری هم می‌افتد که با چشم دیده نمی‌شوند.

در حین برش، فشار و دمای بسیار بالایی به قطعه وارد می‌شود. این فشار و دما، ساختار داخلی فلز را تغییر می‌دهند؛ تغییراتی که به آن‌ها «اثرات متالورژیکی» می‌گوییم. دو اثر مهم در این زمینه وجود دارد که در ادامه بررسی خواهیم کرد.

۱- کار سختی

فلزها از اتم‌هایی ساخته شده‌اند که به صورت منظم کنار هم چیده شده‌اند؛ مثل آجرهای یک دیوار. وقتی فشار شدید به فلز وارد می‌شود، این نظم به هم می‌خورد. نقص‌هایی در ساختار ایجاد می‌شود که باعث می‌شود لایه سطحی قطعه سخت‌تر از مغز آن شود. به این پدیده کارسختی می‌گوییم.

حال سؤال این است که این سختی اضافی خوب است یا بد؟ بستگی دارد.

از یک طرف، سطح سخت‌تر در برابر سایش مقاومت بیشتری دارد. اگر قطعه بخواهد با قطعه دیگری تماس مستقیم داشته باشد، این سختی مزیت است؛ چون راحت‌تر ساییده نمی‌شود. اما از طرف دیگر، اگر بخواهیم همین قطعه را دوباره ماشین‌کاری کنیم، با ماده‌ای سخت‌تر روبه‌رو هستیم. این یعنی ابزار برش زودتر می‌ساید و کار سخت‌تر می‌شود.

۲- تنش‌های پسماند

در طول ماشین‌کاری دو اتفاق همزمان می‌افتد:

اول، قطعه تحت فشار شدید قرار می‌گیرد. این فشار در همه جا یکسان نیست؛ جایی که ابزار برش می‌زند فشار بیشتری وارد می‌شود.

دوم، دما در منطقه برش خیلی بالا می‌رود، اما بقیه قطعه نسبتاً سرد می‌ماند.

در نتیجه بعد از اینکه برش تمام شد و ابزار را برداشتیم، در لایه سطحی قطعه نیروهایی باقی می‌مانند. به این نیروها «تنش پسماند» می‌گویند؛ چون پس از پایان کار هم می‌مانند.

این تنش‌ها دو نوع هستند:

تنش فشاری که معمولاً خوب است؛ این تنش شبیه این است که سطح قطعه را دائماً فشار می‌دهیم. این فشار مانع از رشد ترک‌های ریز روی سطح قطعه می‌شود؛ در نتیجه قطعه در برابر خستگی مقاوم‌تر می‌شود و عمر بیشتری خواهد داشت.

تنش کششی که معمولاً مضر است؛ این وضعیت مثل این است که سطح قطعه را دائماً بکشیم. این کشش باعث می‌شود ترک‌های ریز راحت‌تر رشد کنند. اگر قطعه در محیط خورنده باشد، این تنش‌ها می‌توانند نقطه شروع شکست باشند.

اما چه چیزی تعیین می‌کند تنش فشاری باشد یا کششی؟این موضوع به پارامترهای برشی و وضعیت ابزار بستگی دارد. برای نمونه، ابزار کند یا ساییده‌شده معمولاً تنش کششی ایجاد می‌کند؛ چون به جای بریدن تمیز، ماده را له می‌کند و می‌کشد. همچنین سرعت برش و عمق برش هم تأثیرگذار هستند؛ سرعت بالاتر معمولاً دمای بیشتری تولید می‌کند و این می‌تواند نوع تنش را تغییر دهد.

در برخی موارد، استفاده از روغن‌کاری مناسب هم می‌تواند با کاهش اصطکاک و دما، نوع تنش پسماند را از کششی به فشاری تغییر دهد.

ارتعاشات در ماشین کاری

وقتی در حال تراشیدن یک قطعه فلزی هستید، گاهی ناگهان صدای جیغ تیزی از ماشین بلند می‌شود، ابزار شروع به لرزیدن می‌کند و سطح قطعه‌کار موج‌دار می‌شود. این پدیده را Chatter یا لرزش می‌نامند.

Chatter یک نوع ارتعاش خودتحریک است که خودش را تقویت می‌کند. برخلاف ارتعاشات معمولی که یک عامل خارجی مثل نامیزانی اسپیندل آن‌ها را ایجاد می‌کند، این نوع لرزش از درون سیستم متولد می‌شود. مکانیزم کارش ساده است: ابزار در پاس قبلی یک سطح موج‌دار روی قطعه می‌گذارد. در پاس بعدی، از روی همین سطح موج‌دار رد می‌شود و چون سطح موج‌دار است، ضخامت فلزی که برمی‌دارد لحظه به لحظه فرق می‌کند. این باعث می‌شود نیروی برشی نوسان کند و این نوسان نیرو، ابزار را دوباره به لرزش می‌اندازد. یک حلقه معیوب شکل می‌گیرد که هر لحظه بدتر می‌شود.

دلیل اصلی بروز Chatter این است که سیستم ماشین‌کاری صلبیت کافی ندارد. ماشین ضعیف، ابزارگیر بلند و نازک، فاصله زیاد ابزار از اسپیندل، یا قطعه‌کار نازک باعث می‌شوند سیستم در برابر نیروهای نوسانی مقاومت نکند و راحت به لرزش بیفتد.

عوارض Chatter خیلی مخرب است. سطح قطعه موج‌دار و ناصاف می‌شود. صدای آزاردهنده‌ای بلند می‌شود. ابزار خیلی سریع خراب می‌شود چون نیروهای ضربه‌ای به آن وارد می‌شود. یاتاقان‌های ماشین در درازمدت آسیب می‌بینند. و مهم‌تر از همه، برای جلوگیری از لرزش، مجبورید سرعت و عمق برش را خیلی کم کنید که یعنی کار خیلی کند پیش می‌رود.

راهکارهای کلی برای کاهش Chatter شامل موارد زیر است:‌

۱- افزایش صلبیت سیستم: از کوتاه‌ترین و قطورترین ابزار و ابزارگیر ممکن استفاده کنید؛ هرچه ابزارگیر بلندتر و باریک‌تر باشد، مثل یک فنر عمل می‌کند و راحت‌تر خم می‌شود. فاصله ابزار از اسپیندل را به حداقل برسانید—هرچه این فاصله بیشتر باشد، ابزار مثل یک اهرم می‌شود و کمترین نیرو هم آن را می‌لرزاند. قطعه‌کار را محکم مهار کنید و اگر قطعه نازک یا بلند است، از تکیه‌گاه‌های کمکی استفاده کنید تا از خم شدن آن جلوگیری شود.

۲- تغییر پارامترهای برشی: گاهی فقط با افزایش یا کاهش سرعت چرخش اسپیندل، سیستم از ناحیه ناپایدار خارج می‌شود و Chatter کاملاً از بین می‌رود. این به این دلیل است که فرکانس تحریک سیستم عوض می‌شود و دیگر با فرکانس طبیعی آن همپوشانی ندارد. تغییر عمق برش یا نرخ پیشروی هم مؤثر است. معمولاً کاهش عمق برش بهتر از کاهش پیشروی عمل می‌کند، چون نیروی برشی را مستقیماً کم می‌کند. البته این کار باعث می‌شود بهره‌وری کاهش یابد، پس باید بین پایداری و سرعت تولید تعادل برقرار کنید.

۳- تغییر هندسه ابزار: استفاده از ابزارهایی با زوایای براده و آزاد متفاوت می‌تواند جهت و شدت نیروهای برشی را تغییر دهد و تمایل به لرزش را کاهش دهد. در فرزکاری، فرزهایی با گام نامساوی دندانه‌ها خیلی مؤثرند؛ چون دندانه‌ها فاصله یکسانی ندارند، نیروهای برشی به‌طور مرتب تکرار نمی‌شوند و نمی‌توانند یک الگوی ارتعاشی پایدار ایجاد کنند. همچنین استفاده از ابزارهای تیز و نو به جای ابزارهای کُند می‌تواند نیروهای برشی را کاهش دهد.

۴- استفاده از میراگرها (Dampers): ابزارگیرهای مخصوص با سیستم‌های میرایی داخلی—مثل میراگرهای ویسکوز یا جرم‌میراگرهای تنظیم‌شده—انرژی ارتعاشی را جذب می‌کنند و آن را به گرما تبدیل می‌کنند. در خان‌کشی، میله‌های خان‌کشی مخصوص با میراگر داخلی وجود دارند که برای کارهای عمیق و قطعات نازک خیلی کمک می‌کنند. البته این ابزارها قیمت بالایی دارند و فقط زمانی توجیه‌پذیرند که حجم تولید یا حساسیت قطعه بالا باشد.